用于软X射线探测器标定的X射线二次多靶源

祝宇轩王于仨陈 勇崔苇苇王 昊张子良王皓迪侯懂杰赵晓帆虞 年,3赵子健陈 灿

1（中国科学院高能物理研究所 北京100049）

2（吉林大学物理学院 长春130012）

3（中国科学院大学 北京100049）

爱因斯坦探针的深度后随X射线望远镜（Einstein Probe–Follow-up X-ray Telescope，EP−FXT）［1−3］和增强型X射线时变与偏振探测天文台的能谱测量X射线聚焦望远镜阵列（enhanced X-ray Timing and Polarimetry–Spectroscopy Focusing Array，eXTP−SFA）［4］的前期探测器测试在中国科学院高能物理研究所进行［5］。

在进行联调和测试时，需要有针对性地选择光源才能得到预期的效果。如在进行探测器响应函数和探测效率标定时，需要单色性较好的X射线光源；在进行探测器能量标定时，光源需要提供丰富的元素荧光线谱结构。一般可以用晶体衍射的方式产生单能X射线，例如双晶体单色仪。硬X射线调制望远镜低能X射线望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope–Low Energy X-ray Telescope，HXMT−LE）所使用的软X射线探测器CCD236的能量响应矩阵标定数据由中国科学院高能物理研究所标定大厅的低能X射线标定装置（Low Energy X-ray Calibration Facility，LXCF）［6−7］产生。LXCF使用了双晶体单色仪。这种光源的优势是单色性很好，没有连续谱成分。但是双晶体单色仪需要大量的时间去调试，只适用于对单色性要求较高的实验。

对于一般的探测器测试，可直接采用X光机产生的X射线。这种光源易获得，但是未对光子进行处理，导致能谱成分复杂，连续谱比重较大，信噪比较差。图1为利用Geant4对X光机能谱的模拟结果。一次靶材放出的光子中除了靶材的荧光线之外，连续谱比重也很高，信噪比较低。

图1 电子打靶的Geant4模拟能谱Fig.1 Geant4 simulation spectrum of electron shooting

除此之外，X射线放射源也是常见的X射线光源（常见的软X射线放射源有55Fe），但是单个放射源线谱成分较少（如55Fe放射源会产生55Mn的Kα和Kβ荧光线，分别为5.899 keV和6.490 keV），不利于探测器能量刻度。

X射线二次多靶源（X-ray Secondary Multitarget Source，XSMT）利用X光机产生的韧致辐射光子二次打靶，产生高信噪比的软X射线光子。其降低连续谱比例的手段主要有三点：第一，利用电子打一次靶材产生光子进行二次打靶；第二，减小X光机管电压；第三，减少靶材杂质，屏蔽腔体不锈钢材料。实验能谱测量证明这种装置产生的X射线连续谱比例很低。

1 XSMT设计

XSMT的 设 计 初 衷 是 为EP−FXT探 测 器pnCCD［8−9］和eXTP−SFA的硅漂移探测器（Silicon Drift Detector，SDD）［4］进行前期的电子学联调测试和性能标定提供信噪比高、操作简单的光源。探测器的前期电子学联调需要进行繁琐的电子学调试优化，因此要采用反应迅速且操作简便的测试光源。同时标定工作要求光源可以产生较多谱线用于进行能量刻度。针对这些需求，在中国科学院高能物理研究所标定大厅内建造了XSMT，可联合之前建立的LXCF对探测器性能进行研究。

1.1 二次靶材的选用

SDD和pnCCD的观测波段为12.0 keV以下的软X射线波段。光源设计的第一个要求即为能区。针对探测能区，同时考虑靶材的易制备性，选择了荧光线在12.0 keV以下的几种靶材，如表1所示。

表1 XSMT靶材列表Table 1 List of targets in XSMT

二次靶材荧光线的能量基本均匀覆盖0.523～8.047 keV，可以满足能区内的能量刻度需求。同时为了提高能谱信噪比，尽量选用高纯度的材料制作靶材。

1.2 腔体的设计

pnCCD和SDD探测器均需在低温环境下工作，两种探测器均未加惰性气体保护封装。为了避免在地面测试时降温导致探测器表面结霜，探测器测试需要在高真空环境下进行。为了满足这一需求，XSMT腔体依照真空测试需求进行了设计。图2为腔体的实物图。

图2 XSMT实物图（右侧为腔体内部靶盘实物图，覆盖有白色聚酰亚胺材料）Fig.2 Physical photos of XSMT(right photo shows the inner wall of the cavity covered with polyimide material)

腔体主体为圆柱形设计，腔体顶部固定有靶盘，靶盘上嵌有二次靶材。为保证二次靶材发出的光子尽可能多地从出射口出射，二次靶材底部斜切45°。X光机在腔体下方，其通过真空管道与腔体连接，管道正对二次靶材。腔体内壁覆盖有聚酰亚胺材料，可避免X射线打到腔体内壁的不锈钢材料上产生其他元素的荧光线，增加本底。装置的光子出射口可通过连接法兰与后端装有探测器的真空设备连接。

图3 XSMT结构示意图Fig.3 Diagram of XSMT

X光机灯丝阴极产生的电子，在管电压作用下入射到一次靶材表面，通过韧致辐射产生通量正比于光机管电压平方的连续谱X射线［10］。XSMT装置选用了由上海科颐维电子科技提供的两款X光机作为一次光源。表2为X光机的具体参数。

表2 XSMT所选用的X光机设计参数Table 2 X-ray machine design parameters for XSMT

一次靶材发出的光子通过X光机的准直管，可以极小的发散角入射到靶材的斜剖面上。然后光子打击二次靶材，放出元素的荧光线和一系列的散射光子。

为了验证出射准直管口径对出射光子成分的影响，通过Geant4对系统进行了模拟。模拟过程中，为了简化过程，并未构建探测器的实际模型，只记录出射光子能量。图4为三种口径下出射能谱的模拟结果。

图4 不同口径准直管的出射光子能谱（一次靶材为W，二次靶材为Cu）Fig.4 Photon spectra collimator with different diameters(the first target is W and second target is Cu)

能谱结构中除了连续谱结构外，还有很多线谱，其中主峰为二次靶材Cu的Kα和Kβ荧光线。模拟结果表明，出射准直管的口径大小只对出射光子数有影响，并未影响出射光子的能谱结构。

由于在本次模拟中腔体内壁材料选用了不锈钢，能谱中还出现了Cr、Ni和Fe的荧光线。在第二次模拟中，我们将不锈钢材料利用聚酰亚胺复合材料进行覆盖，出射光子能谱中这些结构消失，如图4中红线所示。

通过调节管电压使一次靶材激发的光子的最高能量刚好大于二次靶材的线系吸收边，然后通过准直管约束X光机出射X射线的角度，使一次靶材激发的光子打到二次靶材上。打到二次靶材上的光子与材料相互作用，放出对应元素的荧光线，只有极少比例的光子通过散射的方式出射。

2 SDD能谱测量及分析

为了验证这一设计的性能，文章对SDD探测器进行了能谱测量。测试时通过连接法兰与装有探测器的腔体进行连接，如图5所示。SDD探测器装在左侧的真空罐中，XSMT通过法兰与真空罐连接。

图5 SDD能谱测试装置图Fig.5 Device photo of SDD spectrum test

2.1 X光机管电压对能谱的影响

X光机的管电压设置直接决定了一次靶材发出的光子能量和通量，进一步影响二次靶材发射的光子中连续谱的比例。实验中，可通过SDD对不同X光机管电压的能谱测量（图6），验证管电压对连续谱比例的影响。管电压3.0 kV能谱在8.0 keV处光子为宇宙线本底。

通过对比三组能谱，可以明显看出：X光机管电压越大，连续谱成分越多。同时电子打靶的模拟能谱显示，一次靶材选用W时，能谱在2 keV左右有多条W的M线系荧光线，这些光子可能在二次靶材进行散射后混入出射光子中，出射光子在2 keV左右有对应的结构。当管电压较低时，这部分结构比重很低，但是随着管电压增大，这些光子比重逐渐增大。经过计算得出，控制管电压在较低的情况下（如二次靶材为SiO2时为3 kV），出射的X射线光子95%左右均为其荧光线，能谱信噪比较高。

2.2 打靶能谱

在SDD的能谱测试中，我们进行了SiO2、Al、Ti、Mg和Cu二次靶材的测试。测试能谱如图7所示。测试能谱中，连续谱计数明显小于荧光线计数，各谱线成分清晰，信噪比很好，可用于探测器与电子学联调和能量刻度。

2.3 SDD能量刻度

XSMT的一个重要应用是对探测器进行能量刻度。以SDD探测器的观测能谱为例，进行能量刻度。二次靶材能谱全能峰可用高斯函数进行拟合：

图7 SDD探测器中各靶材能谱Fig.7 Measured energy spectra of every targets in SDD detector

式中：μ为峰位中心值；σ为标准差；A为峰位中心函数值。全能峰拟合结果见表3。

表3 全能峰拟合结果Table 3 Fitting result of full-energy peak

SDD输出的ADC（Analog-to-Digital Converter）值与光子能量可用一次函数进行能量刻度，图8为能量刻度结果。

通过能量刻度得到积分非线性（Integral nonlinearity，INL）为0.06%，刻度残差小于5 eV。可见，XSMT的打靶能谱能够很好地完成SDD探测器的能量刻度。

3 pnCCD探测器前期电子学联调

FXT的电子学已经进入探测器联调阶段。在联调的前期测试中也使用了XSMT。pnCCD在中国科学院高能物理研究所用XSMT进行打靶测试。图9为Cu靶能谱。

图8 SDD刻度结果，刻度残差小于5 eVFig.8 Energy calibration result of SDD(upper),the residual(bottom)is less than 5 eV

图9 pnCCD电子学联调Cu靶能谱Fig.9 Spectrum of Cu target in pnCCD during the joint debugging of electronics

Cu靶能谱中Cu的三根荧光线比重显著，能谱信噪比较好。pnCCD能谱测试中，一次靶材选择了Ti，所以能谱中还出现了二次靶材直接散射的Ti的Kα和Kβ荧光线。值得注意的是，由于pnCCD是硅基半导体探测器［9］，能谱中可以明显看到对应Si材料的逃逸峰。

为了对光源的光斑大小进行探讨，利用pnCCD进行了成像，如图10所示，其中pnCCD共384×384个方形像素，每个像素边长75μm［8−9］。从pnCCD的成像图中可以看到，由于探测器的工装零件遮挡，探测器边缘有一些像素未被覆盖。该光源的光斑尺寸可以满足pnCCD的测试需求。

图10 pnCCD电子学联调阶段Cu靶成像Fig.10 Image of pnCCD for target Cu

4 结语

本文设计了一种操作简单、信噪比高、能谱结构简单的X射线二次多靶源。该装置服务于FXT和SFA的前期探测器与电子学联调和性能研究。其主体结构包括X光机、准直管和二次靶材腔体。为了满足探测器测试需要的真空低温环境，XSMT腔体也依照真空设备要求进行设计，并可通过法兰与测试设备腔体进行连接。文章利用Geant4对装置的出射准直器口径和内壁材料进行模拟。分析显示，准直器口径会直接影响出射光子数，同时利用聚酰亚胺覆盖内壁后，光子中由不锈钢产生的荧光线成分被屏蔽。之后对SDD探测器进行能谱测试，能谱中靶材荧光线比重很高，信噪比很好。利用各种靶材的荧光线对SDD进行了能量刻度，刻度结果INL为0.06%，残差小于5 eV。同时，XSMT也参与到了FXT的探测器pnCCD与电子学的联调中，其能谱表现和光斑覆盖性也满足试验的要求。